JP5917627B2

JP5917627B2 - 船舶用電力システム

Info

Publication number: JP5917627B2
Application number: JP2014164363A
Authority: JP
Inventors: 加藤　豊邦; 豊邦加藤
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2034-08-12
Also published as: JP2016040973A

Description

本発明は船舶用電力システム、特に船舶のプロペラを推進用電動機で駆動して推進する電気推進船の船舶用電力システムに関するものである。

この電気推進船の船舶用電力システムは、船内の発電機で発電した電力を可変電圧及び可変周波数に変換してプロペラを駆動する推進用電動機の速度制御を行っている。

図６は、従来の船舶用電力システム２０１の一例を示したもので、船内母線２にそれぞれ発電機用遮断器６ａ、６ｂ及び６ｃを介して発電機４ａ、４ｂ及び４ｃが接続され、また、それぞれインバータ用遮断器１２及び１４を介してプロペラ３６、３８をそれぞれ駆動している軸駆動部８４及び８６に接続されている。

軸駆動部８４は、三相３巻線変圧器８０と、この三相３巻線変圧器８０の二次側に接続されたインバータ２８ａ及び２８ｂと、そのインバータ２８ａ及び２８ｂの出力端子と接続された推進用電動機３２とにより構成されている。インバータ２８ａ及び２８ｂは、三相３巻線変圧器８０を介して発電機４ａ、４ｂ及び４ｃから供給される船内電力を可変電圧・可変周波数の電力に変換し、推進用電動機３２をその可変電圧可変周波数に応じた回転速度で回転させ、推進用電動機３２はその回転速度でプロペラ３６を駆動する。軸駆動部８６も軸駆動部８４と同様に構成され、付している番号のみ相違している。

図７に図６に示す軸駆動部８４及び８６の細部を示す。インバータ２８ａは、三相３巻線変圧器８０を介して入力した船内電力の三相交流を直流に変換する整流器４０ａと、図示しない制御部の制御に基づきスイッチングされ、整流器４１ａで変換された直流を任意の周波数及び電圧の三相交流に変換する直交変換器４４ａと、整流器４０ａと直交変換器４４ａとの間に接続された直流部コンデンサ４２ａとにより構成されている。インバータ２８ｂもインバータ２８ａと同様に構成されている。また、軸駆動部８６のインバータ３０ａ及びインバータ３０ｂもインバータ２８ａと同様に構成され、付している番号のみ相違している。

三相３巻線変圧器８０は、船内母線２に接続される一次巻線と、電気角で３０°位相が異なるスター結線からなる二次巻線と、デルタ結線から成る二次巻線とからなり、スター結線の二次巻線にはインバータ２８ａの整流器４０ａが、また、デルタ結線からなる二次巻線にはインバータ２８ｂの整流器４０ｂが接続され、この三相３巻線変圧器８０、整流器４０ａ及び整流器４０ｂにより、いわゆる１２相整流回路を形成している。このため、整流器４０ａ、４０ｂからは５次、７次、１１次、１３次、２３次、２５次…の高調波が発生するが、大きな高調波となる５次と７次の高調波は、電気角で３０°位相が異なるスター結線の二次巻線とデルタ結線の二次巻線により互いに打ち消しあい、船内母線２への５次、７次の高調波の流出を抑制している。三相３巻線変圧器８２も、三相３巻線変圧器８０と同様に構成されているため、同様に整流器４１ａ、４１ｂから発生する５次と７次の高調波が船内母線２へ流出するのを抑制している。このように船舶用電力システム２０１は、三相３巻線変圧器８０、８２によってインバータ２８ａ及び２８ｂ並びにインバータ３０ａ及び３０ｂから発生する５次、７次の高調波の船内母線２への流出を抑制することができるので、船舶内の各装置である発電機４ａ、４ｂ及び４ｃ並びに船内電力負荷１６を正常に動作させることができる。

このように、インバータで発生した５次、７次の高調波を抑制するために三相３巻線変圧器を用いるものとしては、例えば、特許文献１に示すようなものがある。

特開２００８−３３５４２９号公報

このような三相３巻線変圧器は、十分な高調波抑制能力を有しているものの、大型であるために船舶内において占有面積が大きく、また重量物であるために船舶の搭載設備としては望ましいものではなかった。また、設備の重量が重いことから、船舶航行の燃費や二酸化炭素排出に悪影響を与えることとなり、環境配慮の点からも、何らかの対応が求められている。さらに、この三相３巻線変圧器は変圧器と言いながらも、電圧変換は行っておらず、低電圧の船内電力においては、４４０Ｖ：４４０Ｖの電圧比であり、また、推進用電動機を駆動する電流容量と同じ容量とする必要があるために、大きく重くならざるを得ず、船舶向けとして最適な設備であるのかとの見方もされている。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、船内母線へ流出する高調波を抑制しつつ小型化し且つ軽量化し得る船舶用電力システムを提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明は、船舶のプロペラを推進用電動機で駆動して推進する電気推進船の船舶用電力システムにおいて、船内母線に接続され、当該船内母線に所定の電力を供給する船内電源と、前記船内母線に直接接続され、前記船内母線の電力をインバータにより所定の交流電力に変換し、前記プロペラを駆動する推進用電動機の速度制御を行う軸駆動部と、前記船内母線に接続され、前記インバータから前記船内母線へ流出する高調波を吸収する１個の高調波抑制器とからなり、前記高調波抑制器は、複数の交流リアクトル及び電力コンデンサの直列共振回路からなるＬＣフィルタ群で構成されると共に、前記交流リアクトルのインダクタンス値を調整可能に構成したことを特徴とする。

本発明によれば、三相３巻線変圧器よりも電流容量が小さく、設置面積も少なく、小型であり且つ軽量であるＬＣフィルタ群から構成した高調波抑制器により高調波を吸収することができるので、従来と同様に、船内母線へ流出する高調波を吸収しつつ小型化し且つ軽量化し得る船舶用電力システムを実現できる。

本発明の第１の実施形態による船舶用電力システムの構成を示す図である。図１の軸駆動部及び高調波抑制器の詳細構成を示す図である。本発明の第２の実施形態による船舶用電力システムの構成を示す図である。図３の高調波抑制器への線路インダクタンスの影響を説明する等価回路図である。船舶内における本発明の高調波抑制器の設置例を示す図である。従来の船舶用電力システムの構成を示す図である。従来の軸駆動部の詳細構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態とする）について、図面を用いて説明する。

［１．第１の実施形態］
［１−１．船舶用電力システムの構成］
図１に示すように、第１の実施形態による船舶用電力システム１は、図６、図７に示した三相３巻線変圧器８０、８２を取り除き、それに代わりインバータ２８ａと２８ｂ及びインバータ３０ａと３０ｂの入力端子をそれぞれ接続し、その接続したそれぞれの入力端子の入力側にＬＣフィルタ群からなる高調波抑制器２０、２２をそれぞれＬＣフィルタ群遮断器２４、２６を介して接続したものである。

軸駆動部８は、図１のように、入力端子同士を接続したインバータ２８ａと２８ｂ、そのインバータ２８ａと２８ｂの出力端子に接続された推進用電動機３２とにより構成されている。インバータ２８ａと２８ｂは、発電機４ａ、４ｂ及び４ｃからの電力を直接入力し、図示していない制御部からの指示に基づき、可変電圧可変周波数の電力に変換し、プロペラ３６を駆動する推進用電動機３２の回転制御を行う。軸駆動部１０も軸駆動部８と同様に構成され、付している番号のみ相違している。

図２は、図１の軸駆動部８、１０及びＬＣフィルタ群からなる高調波抑制器２０、２２の詳細な構成を示した図で、図に示すように、インバータ２８ａは、入力した三相交流を直流に変換するダイオードブリッジにより構成された整流器４０ａと、直流を図示しない制御部の制御機能によりスイッチング素子を働かせ任意の電圧と周波数の三相交流に変換する直交変換器４４ａと、整流器４０ａと直交変換器４４ａとの間に接続された直流部コンデンサ４２ａとにより構成されている。インバータ２８ｂも、また、軸駆動部１０のインバータ３０ａ、３０ｂもインバータ２８ａと同様に構成されており、整流器４０ａ、４０ｂの入力側、及び整流器４１ａ、４１ｂの入力側は電気的に接続され、直交変換器４４ａ、４４ｂの出力側、及び直交変換器４５ａ、４５ｂの出力側はそれぞれ推進用電動機３２、３４の多巻線にそれぞれ接続されている。

インバータ２８ａ及び２８ｂを動作させると整流器４０ａ及び４０ｂから、またインバータ３０ａ及び３０ｂを動作させると整流器４１ａ及び４１ｂから高調波が発生する。この高調波は、整流器４０ａと４０ｂ、及び４１ａと４１ｂの入力側が接続されているために、船内母線２、発電機４ａ、４ｂ、４ｃ、及び船内電力負荷１６に流出し、発電機４ａ、４ｂ及び４ｃ内部の温度を上昇させ絶縁の劣化や故障を招いたり、船内電力負荷１６の正常動作を妨げたり、また当該船内電力負荷１６内部の温度を上昇させ故障させたりするおそれがある。このため本発明の船舶用電力システム１は、ＬＣフィルタ群からなる高調波抑制器２０及び２２をそれぞれ軸駆動部８，１０の入力側、すなわち、整流器４０ａと４０ｂの入力端子を接続した入力側と整流器４１ａと４１ｂの入力端子を接続した入力側に接続し、インバータ２８ａ及び２８ｂ並びにインバータ３０ａ及び３０ｂから発生した高調波を高調波抑制器２０、２２を構成するＬＣフィルタによって吸収させる。

高調波抑制器２０は、交流リアクトル４６ａ、４６ｂ及び４６ｃと電力用コンデンサ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃとを組み合わせて、それぞれで直列共振回路を構成させた、いわゆるＬＣフィルタであり、特定の周波数に対して吸収効果が得られるものである。高調波抑制器２２は高調波抑制器２０と同様に構成されているため、付している番号のみ相違させ、その説明を省略する。高調波抑制器２０及び２２は、従来の三相３巻線変圧器と比較して容量を小さくできるので、同じ高調波の抑制効果を有しながら小型且つ軽量に構成できる。

高調波発生源である整流器４０ａ及び４０ｂは、入力側が電気的に接続され、いわゆる６相整流回路になるので、５次、７次、１１次、１３次…の高調波が発生し、特に５次と７次の高調波が大きく、１２相整流回路よりも高調波含有率が大きくなる。このため高調波抑制器２０は、特に５次と７次との高調波を吸収することが必要になる。高調波抑制器２２も同様である。

高調波抑制器２０は、交流リアクトル４６ａ及び電力用コンデンサ５０ａにより構成され５次高調波を吸収するＬＣ直列共振回路と、交流リアクトル４６ｂ及び電力用コンデンサ５０ｂにより構成され７次高調波を吸収するＬＣ直列共振回路と、交流リアクトル４６ｃ及び電力用コンデンサ５０ｃにより構成され１１次高調波を吸収するＬＣ直列共振回路とが並列に接続されている。これにより高調波抑制器２０は、軸駆動部８のインバータ２８ａ及び２８ｂにより発生し、船内母線２へ流出する５次、７次、１１次の高調波を吸収している。また、同様に高調波抑制器２２も、軸駆動部１０のインバータ３０ａ及び３０ｂにより発生した５次、７次、１１次の高調波を吸収している。

［１−２．効果］
このように本発明の船舶用電力システム１は、推進用電動機の電気容量に見合った容量が必要となる三相３巻線変圧器に代えて、共振回路のＬＣフィルタ群からなる高調波抑制器２０及び２２を高調波発生源である軸駆動部８及び１０の入力側にそれぞれに接続し、船内母線２へ流出する高調波を吸収するようにしたので、従来の三相３巻線変圧器の電気容量ほど容量を大きくする必要がなく、その結果、総合電圧歪み率の規定を満足しつつ、占有面積を縮小でき、スペースファクターを向上できると共に、軽量化し船舶への搭載重量を軽減することができる。これは、船舶航行の際の燃費の向上にも寄与でき、特に船舶内は限られた空間であるため、設備の占有面積を縮小できることはとても有用である。

また例えば、従来の駆動設備が油圧で構成されており、その設備を更新・変更して、インバータ装置による電動駆動に切り替えるにしても、軽量で占有面積が小さければ都合が良い。三相３巻線変圧器では大型で、占有する面積や体積から設置できない可能性がある。

これに対し本発明の船舶用電力システム１は、三相３巻線変圧器８０及び８２に代えて占有面積の小さいＬＣフィルタ群の高調波抑制器２０及び２２を用いるようにしたため、油圧で駆動される船舶内設備からインバータ装置で駆動される設備に置き換え易くなるメリットもある。

［２．第２の実施形態］
［２−１．船舶用電力システムの構成］
図３に示す第２の実施形態では、第１の実施形態と比較して、各軸駆動部８，１０の電源入力側に設ける高調波抑制器２０及び２２の代わりに、船内母線２に１つの高調波抑制器６０を遮断器６２を介して設けられている点において相違しており、他の点については同様に構成されている。

高調波抑制器６０は、交流リアクトル６４ａと電力用コンデンサ６６ａとのＬＣ直列共振回路で５次高調波を吸収する共振回路と、交流リアクトル６４ｂと電力用コンデンサ６６ｂとのＬＣ直列共振回路で７次高調波を吸収する共振回路と、交流リアクトル６４ｃと電力用コンデンサ６６ｃとのＬＣ直列共振回路で１１次高調波を吸収する共振回路とを並列に接続し、ＬＣフィルタ群を構成している。これにより高調波抑制器６０には、軸駆動部８のインバータ２８ａ及び２８ｂから船内母線２へ流出した高調波と、軸駆動部１０のインバータ３０ａ及び３０ｂから船内母線２へ流出した高調波とを吸収する機能を持たせている。

図４は、図３の第２の実施形態を簡略化して表した等価回路図である。６８は、図３における発電機４ａ、４ｂ及び４ｃと対応している船内電源、７０ａ、７０ｂ及び７０ｃは、船内母線２の各要素間の線路インダクタンス、７２は、軸駆動部８、１０のインバータ２８ａ、２８ｂ並びにインバータ３０ａ及び３０ｂに対応する高調波発生源である。

第１の実施形態の高調波抑制器２０及び２２をまとめて第２の実施形態の高調波抑制器６０として構成する際、高調波抑制器２０及び２２を単純に合成して高調波抑制器６０の交流リアクトル６４ａ〜６４ｃ及び電力用コンデンサ６６ａ〜６６ｃを設けただけでは、本来吸収させたい次数の高調波抑制効果が十分に得られなくなってしまう。

つまり、高調波抑制器６０には、船内母線２の線路インダクタンス７０ｂと線路インダクタンス７０ｃとが加算されため、共振周波数がずれてしまうためである。このため、高調波抑制器６０内の交流リアクトル６４ａ、６４ｂ及び６４ｃ並びに電力用コンデンサ６６ａ、６６ｂ及び６６ｃの定数を設定する際に、線路インダクタンス７０ｂと線路インダクタンス７０ｃとのインダクタンス値を考慮する必要がある。

因みに実際の回路は、船内母線２の複数個所に複数の高調波発生源が接続され、当該船内母線２のどの位置に高調波抑制器６０を接続するかによって、複数の高調波発生源と高調波抑制器６０との各々の間のインダクタンス値を考慮する必要があり、図４よりも複雑な回路構成となる。

そのため、解析的手法又は実験的手法で高調波抑制器６０の定数を見極めることが必要になる。ＬＣ直列共振回路の共振周波数ｆ０は、ｆ０＝１／（２π√（ＬＣ））で定義されるので、このＬＣの値が最適となるように、高調波抑制器６０の交流リアクトル６４ａ、６４ｂ及び６４ｃ並びに電力用コンデンサ６６ａ、６６ｂ及び６６ｃの値を調整することになる。

調整する手立てとしては、交流リアクトル６４ａ、６４ｂ及び６４ｃを構成する鉄心のギャップ幅の変更や、巻線のタップ変更で行うことが比較的容易である。電力用コンデンサ６６ａ、６６ｂ及び６６ｃの容量の調整は、複数のコンデンサをスイッチで接続した構成とすると、取り扱いにくいので、交流リアクトル６４ａ、６４ｂ及び６４ｃで調整することが現実的である。

［２−２．効果］
船舶内部は、実際には多数の高調波発生源が存在するため、第１の実施形態のように高調波発生源毎に高調波抑制器を設けると、高調波抑制器を収納する収納盤も多数存在することとなり、当該収納盤が船舶内において多くのスペースを占有してしまうと共に、船舶に対する収納盤の筐体の搭載重量が重くなってしまう。

これに対し第２の実施形態においては、高調波抑制器６０を船内母線２に１つ、あるいは数個だけ接続するようにしたので、総合電圧歪み率の規定を満足しつつ、第１の実施形態よりもさらに船舶に対する高調波抑制器の占有面積を縮小でき、スペースファクターを向上できると共に、軽量化し船舶への搭載重量を軽減することができる。

ところで図５に示すように、船舶７３は湾曲した内壁面である船舶内壁面７４を有しているため、この湾曲形状の内側にはデッドスペースが生じやすい。これに対し、第２の実施形態では、船内に引き回されている船内母線の何れかに接続できるので、高調波抑制器６０を１つの盤、あるいは複数の収納盤７５ａ及び７５ｂ（図５では一例として２つに分配）に分けて収納し、デッドスペースである船舶内壁面７４の上下に沿って並ぶように当該船舶内壁面７４に固定された設置板７６ａ及び７６ｂの上に固定できる。このように第２の実施形態では、船舶内壁面７４の構造から生じるデッドスペースを有効利用できるので、設置場所の自由度が向上すると共に船内のデッドスペースを減らすことができる。

また、高調波抑制器６０の定数を調整可能に構成するようにしたので、船内母線２に対する軸駆動部８及び１０の接続位置や、船内母線２に対する高調波抑制器６０の接続位置や、線路インダクタンス等に応じて、必要な共振周波数となるように高調波抑制器６０の定数を調整でき、インバータ２８ａ及び２８ｂ並びにインバータ３０ａ及び３０ｂから発生する高調波を効果的に吸収することができる。

その他の点においても、第２の実施形態は、第１の実施形態による船舶用電力システム１と同様の作用効果を奏し得る。

［３．他の実施形態］
なお上述した実施形態においては、５次の高調波を吸収する共振回路、７次の高調波を吸収する共振回路及び１１次の高調波を吸収する高調波抑制器２０、２２及び６０を構成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、１１次の高調波を吸収する共振回路を省略したり、又は１３次の高調波やそれ以上の次数の高調波を吸収する共振回路を追加したりしても良い。要は予め設定された総合電圧歪み率の規定を満足するように所定の次数の高調波まで吸収する共振回路を設ければ良い。

さらに上述した第１の実施形態においても、第２の実施形態のように高調波抑制器２０及び２２の構成要素を複数の収納盤に分配して収納しても良い。

さらに上述した第１の実施形態においても、第２の実施形態のように、交流リアクトル４６ａ、４６ｂ及び４６ｃ並びに交流リアクトル４８ａ、４８ｂ及び４８ｃのインダクタンス値を調整するようにしても良い。

さらに上述した実施形態においては、高調波発生源から発生した高調波を吸収するフィルタとして、ＬＣフィルタ群を用いる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、要は総合電圧歪み率の規定を満足しつつ、従来の三相３巻線変圧器よりも小型化又は軽量化できる種々のフィルタであって良い。

さらに本発明は、上述した各実施形態及び他の実施形態に限定されるものではない。すなわち本発明は、上述した各実施形態と上述した他の実施形態の一部又は全部を任意に組み合わせた実施形態や、一部を抽出した実施形態にもその適用範囲が及ぶものである。

さらに上述した第１の実施形態においては、船内電源としての発電機４ａ、４ｂ及び４ｃと、プロペラを駆動する軸駆動部８及び１０と、ＬＣフィルタ群からなる高調波抑制器２０及び２２とによって船舶用電力システム１を構成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、その他種々の構成でなした船内電源と、軸駆動部と、高調波抑制器とによって船舶用電力システムを構成しても良い。

１、１０１、２０１……船舶用電力システム、２……船内母線、４ａ、４ｂ、４ｃ……発電機、６ａ、６ｂ、６ｃ……発電機用遮断器、８、１０、８４、８６……軸駆動部、１２、１４……インバータ用遮断器、１６……船内電力負荷、１８……船内電力負荷用遮断器、２０、２２、６０……高調波抑制器、２４、２６、６２……高調波抑制器用遮断器、２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂ……インバータ、３２、３４……推進用電動機、３６、３８……プロペラ、４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂ……整流器、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ……直流部コンデンサ、４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ……直交変換器、４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、６４ａ、６４ｂ、６４ｃ……交流リアクトル、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、６６ａ、６６ｂ、６６ｃ……電力用コンデンサ、６８……船内電源、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ……線路インダクタンス、７２……高調波発生源、７３……船舶、７４……船舶内壁面、７５ａ、７５ｂ……収納盤、７６ａ、７６ｂ……設置板、８０、８２……三相３巻線変圧器。

Claims

船舶のプロペラを推進用電動機で駆動して推進する電気推進船の船舶用電力システムにおいて、
船内母線に接続され、当該船内母線に所定の電力を供給する船内電源と、
前記船内母線に直接接続され、前記船内母線の電力をインバータにより所定の交流電力に変換し、前記プロペラを駆動する推進用電動機の速度制御を行う軸駆動部と、
前記船内母線に接続され、前記インバータから前記船内母線へ流出する高調波を吸収する１個の高調波抑制器とからなり、前記高調波抑制器は、複数の交流リアクトル及び電力コンデンサの直列共振回路からなるＬＣフィルタ群で構成されると共に、前記交流リアクトルのインダクタンス値を調整可能に構成したことを特徴とする船舶用電力システム。